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1第10章耐火材料应用耐火材料作为高温炉窑及热工设备的结构材料及元部件材料。耐火材料产品单位消耗在很大程度上与经营管理状况有关系。它在国民经济中有技术经济效率，国民经济吨钢产量所消耗的耐火材料公斤数称耐火材料综合消耗指标，它是衡量一个国家的工业水平，尤其是耐火材料质量的重要指标。一般来说，质量好的耐火材料在炉窑上使用的效果好，寿命长。但使用条件不能忽视，如同一种耐火材料在同一热工设备上使用，由于使用条件改变，往往使用结果差别很大。因此，耐火材料科技工作者应该很好的学习和研究各种炉窑热工设备的使用条件，特别是冶金等使用部门创造新的高温工艺过程时，研究使用条件有特别大的意义。耐火材料使用的科学技术问题有：(1)制定经营管理规则(温度，时间，气体介质成分，机械应力，加热过程各种强化剂的作用等)；(2)在经营管理规则的影响下，耐火材料发生的物理化学变化和化学矿物组成变化的研究；(3)保护耐火材料采取的措施；(4)选择和开发新的耐火材料，其性能应该最好的适合于使用条件。10.1耐火材料的选用10.1.1冶金炉窑对耐火材料的要求冶金炉窑种类繁多，结构也很复杂，耐火材料的选择和应用往住有很大差别。但是，必须满足下列要求：能承受高温作用而不软化，不熔化；能承受高温荷重作用，不丧失结构强度，不发生变形和坍塌；有好的体积稳定性，在高温下不发生过大的体积膨胀和收缩，重烧线变化小；能抵抗温度急剧变化；能抵抗高温熔体的化学侵蚀和物理冲刷作用；外形尺寸规整，公差小。10.1.2耐火材料在使役中损毁的机理冶金炉窑长期连续处在高温下运行，耐火材料工作条件恶劣，极易损毁，其中以熔炼炉最为典型。造成耐火材料损毁的因素很多，但归纳起来主要有以下几点：渣蚀作用。由于熔渣和金属液或含尘腐蚀性气体的物理化学作用而引起的侵蚀。据统计有色冶金炉窑的炉衬60-70%是由于熔渣的侵蚀而损毁。炼钢转炉和电炉渣线区域主要是由于渣蚀，而成为损毁最严重的部位，并决定着炉衬的寿命。温度剧烈变化作用。许多炉窑，特别是间歇式操作炉窑，温度波动大，骤然变化产生很大的内应力，砖砌体开裂、剥落，严重时变形或坍塌倾倒。如炼钢转炉、电弧炉和铜锡熔炼反射炉，熔炼期最高炉温可达1250-1650℃，而放渣和出钢、出铜后，炉内温度急剧降至600-800℃，温度在短时间内波动太快太大，造成耐火材料内应力大，产生崩裂、剥落而损毁。(3)气相的沉积作用。很多熔炼炉和火焰炉，在生产过程中会产生CO分解和铅、锌及碱金属氧化挥发，并在耐火材料气孔及砌缝内沉积，造成砖砌体龟裂、变形和化学侵蚀。这种现象在高炉，鼓风炉、竖窑及焦炉的上部较为突出。甚至成为这些部位损毁的主要原因。(4)机械冲击和磨损作用。许多炉窑内的物料是运动的。如高炉、鼓风炉及竖窑内的物料连续不断由炉顶向下运动；回转窑内物料作回转前进运动；转炉内液态金属作沸腾搅动等等。并且在运动的同时，物料还要发生一系列的物理化学变化。因此，对炉衬产生很大的机械冲击和严重的磨蚀作用，破坏性非常大。例如高炉炉喉磨损严重，不得不采用铸钢板加以保护。氧气转炉由于钢水的剧烈搅动，常发生炉衬被刷掉现象，而需经常补炉。(5)单纯熔融作用。许多耐火材料在高温热负荷作用下，往往发生重烧线变化，造成砌筑体失稳。有时操作温度过高，还会造成局部软化甚至熔融，形成熔滴，导致砌体坍塌。210.1.3耐火材料选用的原则选用耐火材料时，一般应遵循下列原则：(1)掌握炉窑特点。根据炉窑的构造、各部位工作特性及运行条件，选用耐火材料。要分析耐火材料损毁的原因，做到有针对性的选用耐火材料。例如各种熔炼炉（如平炉、反射炉）渣线及以下部位的炉衬及炉底，以受渣和金属熔体的化学侵蚀为主，其次才是温度骤变所引起的热应力作用，一般选用抗渣性优良的镁质、镁铬质耐火砖砌筑。渣线以上部位可选用镁铝砖或镁铬砖或高铝砖砌筑。(2)熟悉耐火材料的特性。熟悉各种耐火材料的化学矿物组成、物理性能和工作性能，做到充分发挥耐火材料的优良特性，尽量避开其缺点。如硅砖荷重软化温度高，能抵抗酸性炉渣的侵蚀，但在600℃以下发生β晶型向α晶型的快速转变，耐热震性很差，而在600℃以上使用时耐热震性较好，高温下只会膨胀而不发生体积收缩，因而可选用作火焰炉炉顶砖、焦炉炭化室隔墙砖等。(3)保证炉窑的整体寿命。要使炉子各部位所用各种耐火材料之间合理配合，确定炉子各部位及同一部位各层耐火材料的材质时，既要避免不同耐火材料之间发生化学反应而熔融损毁，又要保证各部位的均衡损耗，或在采取合理技术措施下达到均衡损耗，保证炉子整体使用寿命。(4)实现综合经济效益合理。选用的耐火材料要在满足工艺条件和技术要求的前提下，将材料的质量、来源与价格、使用寿命与消耗以及对产品质量的影响，综合分析，力求做到综合经济效益合理。随着工业炉窑大型化、高效化和自动化，炉窑操作条件日趋苛刻，对耐火材料的生产和使用提出了更高的要求。能源消耗急剧增长，供需矛盾日益紧张，工业炉窑节能已成为发展生产的重要关键环节之一。耐火材料也必须满足节能的需要。因此，应根据炉窑结构特点及热工制度和生产工艺条件，正确选择和合理使用相应的耐火材料，研究开发新型优质耐火材料，以进一步保证高温炉窑的高效运行，提高炉窑的使用寿命，降低耐火材料消耗和节能。前已述及，耐火材料长期处在高温下，还可能经受熔融炉渣和金属及高温高尘腐蚀性炉气的冲刷、侵蚀；经受温度骤变及各种应力的综合影响；经受机械和物料的撞击和磨损作用。时至今日，没有一种耐火材料能完全满足上述使用条件的要求。虽然有些耐火材料品种性能优良，但价格昂贵，尚无法在炉窑上大量应用。这就需要认真分析各种工业炉窑的工作条件，研究耐火材料的损毁机理，做到有针对性地就具体炉窑、具体部位的特殊需要，选择和应用具有相应材质的耐火材料，并注意各部位耐火材料之间在使用寿命上的配合和协调一致。10.2炼铁用耐火材料10.2.1高炉用耐火材料(1)炉喉。炉喉为高炉的咽喉，受到固体炉料下降时的直接冲击和磨擦等物理作用，极易损毁。曾采用硬度高和密度大的高铝砖砌筑，但不耐久。因此，目前都采用耐磨铸钢护板保护。(2)炉身。炉身可分为上、中、下三带。从上至下炉料从300-400℃逐渐被加热至1250-1300℃，物料在下降过程中发生一系列的物理化学变化。炉身上部和中部温度为400-700℃，熔渣尚未形成，没有渣蚀情况发生。炉衬主要受到下降炉料和上升含尘气流的磨损和冲蚀；部分CO在砖缝、裂纹、气孔中分解产生碳素沉积，引起衬砖龟裂、变质、组织疏松导致剥落损毁。有的还受到锌、铅蒸气向砖内渗透，以ZnO·PbO形式沉积，并进一步与砖发生化学反应，生成硅酸锌(2ZnO·SiO2)和硅酸铅(2PbO·SiO2)，使砖组织变脆、剥落。炉身上部和中部由于损毁程度较轻，一般采用含游离Fe2O3较低的高炉专用粘土砖、致密粘土砖、高铝砖砌筑，或由粘土质不定形耐火材料构成。炉身下部温度较高，有大量初渣形成，炉渣与炉衬表面直接接触。炉衬在经受下降物料和含尘炉气的磨擦，冲蚀作用的同时，炉渣的化学侵蚀严重。高温下产生的碱金属蒸气对砖的化3学反应也较上部和中部突出。若炉衬为硅酸铝质材料，砖内形成钾霞石(K2O·Al2O3·2SiO2)、白榴石(K2O·Al2O3·4SiO2）及玻璃相(K2O-SiO2)。由于这些新相的生成产生较大的体积膨胀，破坏了砖的组织结构，强度和耐火性能明显下降，炉身下部炉衬损毁较快，而且严重。一般选用耐火性能好、抗渣性强、高温结构强度大和耐磨性好的优质致密粘土砖或高铝砖砌筑。靠近炉腰部位可采用高铝砖或用耐磨、抗渣性好、导热系数高的刚玉砖、碳化硅砖或炭砖砌筑。大型高炉炉身下部主要采用高铝砖、刚玉砖、炭砖或碳化硅砖。(3)炉腰。炉腰是高炉最宽大的部位。炉料体积膨胀至最大，并开始在此形成大量的熔渣，因此，渣的化学侵蚀和碱金属蒸气的侵蚀较炉身下部严重。下降炉料和高温焦炭对炉衬表面的磨损，冲刷也很突出，高温上升气流的冲蚀作用也比炉身部分强。碱金属和碳素在砖内沉积作用仍然存在。这些因素的综合作用，使得炉腰成为高炉最易损毁的薄弱部位之一。中小高炉可采用优质致密粘土砖或高铝砖或刚玉砖。大型现代高炉一般采用高铝砖或刚玉砖或碳化硅砖。有的也采用碳砖砌筑。(4)炉腹。炉腹位于炉腰之下。下部炉料温度可达1000-1650℃，气流的温度更高，高温作用特别强烈。由于低粘度熔渣形成，对炉衬的化学侵蚀也特别严重，熔渣和高温气流对炉壁的冲刷突出，碱金属的沉积引起炉衬的膨胀作用仍有相当大的影响。因此，炉腹是高炉炉衬损毁最严重的部位。一般高炉开炉后不久就几乎全部损毁，而靠覆盖在炉腹处一层坚实的渣层来保护钢壳。因此，炉腹部位采用高铝砖(Al2O3＞70%)、刚玉砖砌筑。现代化大型高炉，普遍采用碳砖和石墨−石油焦、石墨−无烟煤等半石墨砖，外加水冷或汽化冷却，以提高使用寿命。表10-1炉腹用碳砖的性能性能焦炭质人造石墨质半石墨质(A)半石墨质(B)体积密度，g/cm31.621.691.67-1.701.67显气孔率，%12.815-1815.5耐压强度，%41.1645.2729.4-34.329.4工业分析灰分，%5.108.34工业分析固定炭，%94.590.13(5)炉缸和炉底。炉缸是盛装铁水和炉渣的部位。炉缸上部是高炉温度最高部位，靠近风口区的温度达1700-2000℃以上。炉底温度为1450-1500℃。炉缸的炉衬主要受到熔渣和铁水的化学侵蚀和冲刷以及碱侵蚀的膨胀作用。当熔渣和铁水侵入砖缝和裂纹之中，加速了炉渣的化学侵蚀和物理溶解损毁。炉底主要为铁水渗入砖缝，使耐火砖浮起而损毁。当铁水渗入炉底碳砖后，还发生碳砖被溶解的作用。因此，高炉炉底并不实行绝热保温，而是对炉底进行强化冷却，以减缓对碳砖的熔蚀反应，把铁水凝固在炉底的上部，即当炉底上部温度控制在1150℃(铁水熔点)以下时，可以防止炉底继续熔蚀，延长炉底寿命。基于上述原因，并考虑到炉缸和炉底一旦被侵蚀损毁后，不易修补，严重时必须停炉大修。所以一般采用耐火度高、高温强度大、抗渣性好、导热能力强、体积密度较高和体积稳定性好的碳砖砌筑。我国高炉炉底工作表层也采用炭素捣固，其整体性好，缝隙少，铁水不易渗入。炉底的砌法主要是两种：一种为上部2-3层用碳砖，下面为优质粘土砖或高铝砖。大型4高炉，由于铁水温度提高，炉底损毁的危险性增大。因此，采用全碳砖炉底。也可用沥青浸渍碳砖代替普通碳砖。砌法上采用干砌、锁砌、错缝或采用楔形砌法，防止碳砖漂浮损毁。10.2.2高炉热风炉热风炉是蓄热式热交换器，其功用在于空气鼓入高炉前加热，再吹入高炉中。在燃烧室里高炉煤气或高炉与焦炉混合煤气的气体燃烧，燃烧产物升起至热风炉圆顶下面，又把格子砖通道加热，而它在热风炉下部离开。通过它加热格子砖后，让冷空气通过(从下往上)，接受格子砖的热量被加热。现在提高热风温度达到1400-1500℃，甚至更高。热风炉拱顶下将达到1500-1700℃。热风炉中使用条件最苛刻的是热风炉圆顶，格子砖上部和燃烧室内衬。耐火材料经受温度变化和下层格子砖的质量压力。格子砖很快被加热、蓄热，而后很快把热量交还空气。如果预热空气富氧(30%)，格子砖按氧含量经受可变的气体介质作用。格子砖和气流之间的温差约150℃，一般不至于因应力导致耐火材料破坏。下层砌体由于自身的压力，在长期使用期间引起耐火材料蠕变。高温格子砖砌体上部的载荷尚小；下部的耐火材料经受相当大的压力(约0.4-2MPa)，然而下部的温度相对不高。这可以按层高度选配格子砖材料，见表10-2。表10-2某研究院推荐的高温热风炉用耐火材料最高温度，℃荷重，MPa推荐耐火材料上下上下1500110000.2硅砖，莫来石刚玉砖11009000.20.5高岭石砖9007000.51.0特级粘土砖7004001.02.0高级粘土砖砌筑热风炉和格子砖用的耐火制品，按1000h内蠕变试验结果选择。实际目的是确定蠕变期间变形速度如何和在实验室测定的这种速度到何种程度可以外推到15-20kh(即最低2年，到格子砖上部检修)。硅砖在热风炉工作条件内的主要优势在于升高温度时的体积稳定性，高温下没有